空中-水下蓝绿激光通信信道特性分析∗

李寅龙 毛忠阳 刘锡国

（海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

蓝绿激光通信因水下穿透性强、传输速率高、保密性好等优点逐渐成为空中对水下目标通信的主要方式［1］。由于空中-水下通信距离长且信道环境复杂，因此需要对信道特性进行分析。众多学者对信道特性分析问题开展研究，其中司立宏［2］研究了蓝绿激光通信上行链路的信道特性，何谷强［3］分析了蓝绿激光通信下行信道的光学特性，苗希彩［4］建立蓝绿激光通信下行信道模型并仿真计算功率衰减特性，胡秀寒等［5］在云层存在的条件下分析蓝绿激光通信信道特性。但以上文献都对信道自身固有特性进行分析，并未考虑信道环境对通信性能的影响。因此本文从实际测量角度出发，将空中-水下信道从为大气、气-海、海水三部分结合云雾等天气情况综合分析，并研究整体链路对通信质量的影响。

2 大气信道分析

空中-水下信道中大气信道约占整个信道长度的99%，大气信道对激光的影响主要体现在大气和云、雾对激光光强的衰减。

2.1 垂直链路大气衰减

大气衰减由大气中的分子与气溶胶粒子造成，通常使用朗伯定律描述激光在大气中的透过率。激光垂直传输时，对大气分层计算有［6］：

式中，μa为大气衰减系数，Ha为光在大气中的传输距离。考虑四种因素对大气衰减系数的影响［7］：

式中，αm为气溶胶吸收系数，αa为分子吸收系数，βm为气溶胶散射系数，βa为分子散射系数。

蓝绿激光位于“大气窗口”中，此时分子吸收对光束的吸收作用很小，可以忽略。本文依据《光学手册》中纬度地区λ=0.5145μm与λ=0.6328μm的激光在各高度上的吸收与散射系数的测量数值［8］，使用线性内插法近似求出λ=0.532μm时的各项数值，表1所示给出了高度0～10km时的大气衰减系数，（按不同季节和天气分为四类）。由表中计算数据可通过式（1）求出不同高度下的大气衰减系数。

表1 中纬度地区0.532μm大气衰减系数

2.2 云、雾的影响

机载蓝绿激光发射机通常处于6km～8km的高度，在此高度下常伴随着云和雾的出现。云和雾都是由水滴或冰晶组成的混合物，当激光通过云雾时，这些粒子都对激光产生影响从而造成光强衰减。

1）云层对激光的衰减模型

按照云的所处高度和粒子组成将其分为积云、层云、层积云、积雨云、雨层云、高层云以及卷云等。表2给出了不同类型云的衰减系数。

表2 不同类型云的衰减系数［9］

云的光学厚度与物理厚度存在关系［10］：

式中，τ为光学厚度，kc为云的衰减系数，Zc为云的物理厚度。根据Vande Hulst公式，激光经过云层的能量透过率为

式中，F是与云层的光学入射角有关的函数，当光线垂直入射时F=1，＜cosθ＞为散射角的平均余弦值，通常取θ=30°。

2）海雾对激光的衰减模型

雾通常在200m～500m高度垂直分布，根据地域和形成机理不同，认为海雾属于平流雾，内陆雾属于辐射雾。按水平能见度可将雾分为四个等级［11］，如表3所示。

表3 雾的不同等级

Al Naboulsi等于2004年提出了针对辐射雾和平流雾的衰减估算模型：

式中，波长λ的单位是μm，能见度V单位km，范围为50m～1000m，衰减系数单位km-1。将海雾的光学厚度定义为

3 气-海界面分析

当光束从机载激光器向下发射时，经过气-海交界处会产生折射和反射。当海面出现一定角度的倾斜时光斑半径会发生变化，如图1所示。

图1 倾斜海面的光斑变化

相对于入射光线，本文设置顺时针转过角度γ取正值，逆时针转过取负值，上述计算方法对于任何角度的入射光线都是适用的。由图1知θ1=θ+γ，θ2=θ-γ，β1=φ1-γ，β2=φ2+γ。对于左侧入射光束有

4 海水信道分析

通常将光在水中的衰减系数定义为［12］

式中，αs(λ)为海水吸收系数，βs(λ)为海水散射系数。但实际上海水的吸收和散射系数受多种因素影响，因此其衰减系数很难计算。文献［13］给出利用海水透明度反演计算蓝绿激光水下衰减系数的方法，并建立了适合于波长为412nm～565nm的二类水体衰减系数反演模型。以λ=490nm的激光作为标准，其衰减系数表示为

式中，Kd490为490nm的激光衰减系数，SD为透明度。在黄、渤海区域内，蓝绿光其余波段的衰减系数可通过线性回归拟合求出，对于其他波长有

式中，k()

λ为回归直线的斜率，λ单位为μm。利用朗泊定律计算海水中激光的衰减，设激光探测器在水下深度为hr，则激光在水下的能量衰减可表示为

式中，I为经过海水信道后探测器接收到的光强，I0为海面入射光强，则λ=532nm的激光在水下透过率为

5 仿真分析

5.1 气-海界面光斑变化分析

设机载激光器位于8km高度处，接收端位于水下100m处，即Ht=8000m，hr=100m。发射光束发散半角θ=10mrad，大气折射率n气=1，海水折射率

图2给出了在倾斜海面下光斑直径与海面倾角的关系。由图可知，在海面发生倾斜时，接收端的光斑直径随海面倾斜角度增大而增加，且增加速度逐渐变快，在海面倾斜角度γ≤0.4rad≈23°时，接收光斑直径由160m增加至260m，此时曲线变化近似于线性关系，当γ＞0.4rad后，曲线近乎成指数上升。

图2 光斑直径与海面倾角的关系

图3给出了光斑中心偏移量与海面倾角的关系，由仿真结果可知，随着海面倾斜角度的增加，接收端光斑中心偏移量随之增大，变化呈现线型变化，在0.7rad≤γ≤0.8rad时，曲线会出现微小的斜率增大。光束中心偏移量最大可达到23m左右，此时若接收视场半径小于23m，光束中心将会偏移出接收视场，导致接收光强分布不均匀，光强衰减等不利影响。

图3 光斑中心偏移量与海面倾角的关系

5.2 整体链路余量分析

1）链路余量计算

在只考虑衰减的情况下，通常用链路余量衡量一个通信系统能否实现有效通信。当链路余量小于探测器灵敏度时将无法进行正常通信。在不考虑湍流影响请情况下，接收端探测器接收到的光功率为［14］

式中，DT为发射孔径直径，DR为接收孔径直径，θ为光束发散角，Hr为激光发射器距离海平面高度，hr为探测器在水下的深度，Tchannel为链路总透射率，由前面分析可知

式中，Ta为大气透过率，Tc为云层透过率，Tf为海雾透过率，Ti为界面透过率，Ts为海水透过率。

通信链路余量可表示为［15］

式中，S为探测器灵敏度。由于激光近似垂直入射，故在本文中并未具体考虑气海界面处造成的光强衰减，文献［16］指出当激光通过粗糙海面时，若风速小于8m/s，气-海界面产生的光强衰减约为0.8dB。因此本文利用-0.8dB表示气海界面的衰减，同时将链路余量改写为

2）链路余量仿真分析

仿真参数取值如表4所示。

表4 链路余量仿真参数取值

图4给出在不同类型云的影响下，系统链路余量与发散角的关系，仿真环境为晴天，其中取海水透明度V=50m，接收孔径Dr=200mrad。有仿真结果可知，在不同类型下的云，链路余量与云层的透过率成正比，且与发散角有关，发散角越大，链路余量越小。在雨层云存在时，链路余量最小，而在卷云存在时，链路余量最大。

图4 不同类型的云下，链路余量与发散角的关系

图5给出在不同海水透明度下，链路余量与接收孔径的关系如所示，仿真中环境为阴天、云层类型为积云，发散角为10mrad。由仿真结果可知：1）不同海水透明度下系统链路余量不同，透明度越高则链路余量越大，通信质量也越高。2）扩大接收孔径可使链路余量增加，当Dr=250mm时，链路余量与Dr=100mm相比提升了2dB左右。因此，可通过增大接收孔径获得更高的链路余量，在系统条件允许的情况下，应尽量使用大孔径接收。

图5 不同海水透明度下，链路余量与接收孔径的关系

6 结语

本文从大气、气海界面、海水三部分并结合云雾等特殊环境对空中-水下信道特性进行综合分析。通过数值仿真分析了激光在空中-水下信道传输时的光斑变化和链路余量。结果显示，光斑直径随着海面倾角变化，当光斑中心偏移量较大时，通信性能会下降；信道衰减大小与天气情况有关，在晴天时链路余量较大，且增加接收孔径可以提升链路余量。因此，在条件允许的情况下，激光通信应尽可能在良好的天气下进行并且采用大孔径接收以提升通信质量。